Zbiorniki kriogeniczne do przechowywania gazów przemysłowych

Wyzwanie utrzymywania niskich temperatur

Liekfakcyjny gaz ziemny, ciekły azot, ciekły tlen – to nie towary, które można przechowywać w standardowym zbiorniku atmosferycznym. W temperaturach poniżej −150 °C zmieniają się zasady działania: materiały stają się kruche, izolacja staje się kluczowa, a sam produkt ciągle dąży do odparowania. Zbiorniki kriogeniczne są inżynierskim rozwiązaniem tych wyzwań i przez dziesięciolecia ewoluowały w najbardziej zaawansowane zbiorniki ciśnieniowe świata przemysłu.

Skala jest oszałamiająca. Pojedynczy duży zbiornik do przechowywania LNG może pomieścić 160 000 metrów sześciennych cieczy — ilości wystarczającej do zaopatrzenia średniej wielkości miejscowości w ciągu kilku dni. Z drugiej strony, zbiornik azotu ciekłego o pojemności 50 metrów sześciennych może obsługiwać pojedynczy szpital lub zakład produkujący urządzenia elektroniczne. Niezależnie jednak od rozmiaru podstawowe zasady fizyki i inżynierii pozostają takie same.

Typy zbiorników: od jedno- do membranowych

Zbiorniki kriogeniczne są dostępne w kilku konfiguracjach, z których każda charakteryzuje się inną filozofią bezpieczeństwa oraz innym profilem kosztów. .

Zbiorniki jednoobudowe to najprostszy projekt konstrukcyjny. Zbiornik jedno- lub dwuścianowy przechowuje ciecz kriogeniczną; w przypadku wycieku ciecz ta powinna być zawarta przez zewnętrzną barierę (wałek lub wał przeciwwybuchowy). Jest to najtańsza opcja, ale wymaga znacznej powierzchni terenu na obszar zawierający wyciek.

Zbiorniki dwuobudowe dodaj ścianę wtórną wokół zbiornika głównego. W przypadku przecieku wewnętrznego zbiornika ściana zewnętrzna zbiera ciecz i zapewnia uszczelnienie zapobiegające ucieczce pary. Dzięki temu eliminuje się potrzebę dużego wału zabezpieczającego i zmniejsza się powierzchnię zajmowaną przez obiekt.

Zbiorniki o pełnym zawieraniu reprezentują obecny stan techniki w zakresie dużych zbiorników do przechowywania LNG . Zarówno wewnętrzny, jak i zewnętrzny zbiornik są zaprojektowane tak, aby zawierać ciecz, a zewnętrzny zbiornik zapewnia również uszczelnienie zapobiegające ucieczce pary. W przypadku awarii wewnętrznego zbiornika zewnętrzny zbiornik bezpiecznie zawiera całą jego zawartość. Zbiorniki te są najdroższe, ale zapewniają najwyższy poziom bezpieczeństwa i są wymagane przez wiele organów regulacyjnych w przypadku przechowywania w skali dużej.

Zbiorniki membranowe wykorzystują cienką membranę ze stali nierdzewnej, wspieraną izolacją oraz zewnętrzną powłokę betonową . Oryginalnie opracowane do statków transportujących LNG, ten typ konstrukcji został przeniesiony na ląd i oferuje doskonałe zawieranie przy mniejszej masie materiałów w porównaniu do zbiorników o pełnym zawieraniu.

Normy regulujące przechowywanie kriogeniczne

Zbiorniki kriogeniczne nie są budowane bez obszernego zestawu norm. Kluczowe dokumenty obejmują :

• API 625 – główna norma dotycząca projektowania i budowy zbiorników do przechowywania LNG, obejmująca wszystko – od materiałów po badania

• EN 14620 – europejska norma dotycząca budowy zbiorników LNG pełnego typu zawierania

• NFPA 59A – norma bezpieczeństwa obejmująca ochronę przeciwpożarową, odstępy oraz zapobieganie zagrożeniom

• BS 7777 / EEMUA – wytyczne dotyczące projektowania zbiorników chłodzonych

API 625 jest najbardziej powszechnie uznawaną normą światową . Określa ona ciśnienie projektowe, materiały, wymagania dotyczące izolacji oraz protokoły badań. Zgodność z normą API 625 nie jest opcjonalna w przypadku większości dużych projektów – została ona wpisana do polis ubezpieczeniowych oraz umów kredytowych.

Parowanie: nieuniknione straty

Oto fakt, który zaskakuje początkujących specjalistów od przechowywania kriogenicznego: produkt znajdujący się wewnątrz zbiornika zawsze wrze. Nawet przy najlepszej izolacji ciepło przedostaje się do zbiornika, a część cieczy ulega parowaniu. Nazywa się to gazem parowania (BOG – boil-off gas), a jego kontrola stanowi jedną z głównych odpowiedzialności operatora.

Przyjęta w branży dopuszczalna wartość współczynnika parowania dla zbiorników do przechowywania LNG wynosi zwykle ≤0,2 % objętości zbiornika na dobę. Duże zbiorniki pełnopojemnościowe osiągają niższe wartości – od 0,05 % do 0,08 % na dobę – ponieważ stosunek powierzchni do objętości poprawia się wraz ze wzrostem rozmiaru zbiornika. Zbiornik o pojemności 160 000 m³ parujący z prędkością 0,08 % na dobę traci codziennie około 128 m³ LNG. Nie jest to niewielka ilość – wystarczy ona do ogrzewania kilku tysięcy domów.

Co więc dzieje się z gazem parującym? W większości terminali jest on zbierany i albo ponownie skroplany, albo przekazywany do systemu paliwowego zakładu. W mniejszych instalacjach może być spalany w palniku lub odprowadzany do atmosfery (choć przepisy środowiskowe coraz bardziej ograniczają tę praktykę). Ekonomika zarządzania gazem parującym (BOG) ma istotne znaczenie: każdy metr sześcienny LNG, który ulega parowaniu, to produkt, który nie zostaje sprzedany.

Izolacja: prawdziwy bohater

Wydajność zbiornika kriogenicznego zależy w dużej mierze od jego systemu izolacji. W przypadku zbiorników LNG izolacja składa się zazwyczaj z rozszerzonego perlitu – lekkiego szkła wulkanicznego umieszczanego pomiędzy wewnętrzną a zewnętrzną ścianą zbiornika – lub pianki poliuretanowej w przypadku mniejszych zbiorników. Izolacja próżniowa stosowana jest w niektórych zbiornikach ciekłego azotu i ciekłego tlenu, gdzie miejsce jest ograniczone, a różnica temperatur szczególnie duża.

Izolacja z perlitu w dużym zbiorniku LNG może mieć grubość kilku stóp. Wyzwaniem nie jest tylko wydajność termiczna – ale osiadanie. Perlity osiadają w czasie, tworząc puste przestrzenie u góry izolacji, przez które ciepło może ominąć izolację. Nowoczesne konstrukcje obejmują wskaźniki osiadania oraz rozwiązania umożliwiające uzupełnianie perlitu podczas postoju zbiornika.

Często pomijanym aspektem jest izolacja wokół przejść zbiornika – rurociągów, urządzeń pomiarowych i otworów inspekcyjnych. Są to punkty słabe, przez które ciepło przedostaje się do wnętrza. Źle zaizolowany przelew może spowodować powstanie obszaru o obniżonej temperaturze na zewnętrznej powierzchni zbiornika, co prowadzi do tworzenia się lodu, korozji, a ostatecznie do problemów konstrukcyjnych. Najlepsze projekty zbiorników traktują przejścia z takim samym rygorzem jak główne ściany zbiornika.

Wybór materiałów: wyzwanie niskich temperatur

Stal węglowa staje się krucha w temperaturach kriogenicznych. Jest to problem, ponieważ większość przemysłowych zbiorników magazynowych wykonana jest ze stali węglowej. Rozwiązaniem jest użycie materiałów, które zachowują odporność na uderzenia w temperaturze -162°C i poniżej.

W przypadku zbiorników LNG wewnętrzny zbiornik wykonany jest zazwyczaj ze stali zawierającej 9% niklu lub ze stopu aluminium. Stal zawierająca 9% niklu jest materiałami podstawowymi – zachowuje odporność na uderzenia nawet w temperaturze -196°C i nadaje się do spawania przy zastosowaniu odpowiednich procedur. Stopy aluminium są lżejsze i posiadają doskonałe właściwości przy niskich temperaturach, ale są droższe i wymagają specjalistycznych technik spawania.

Zewnętrzny zbiornik wykonany jest natomiast zwykle ze stali węglowej lub betonu zbrojonego. Nie jest on bezpośrednio narażony na temperatury kriogeniczne – izolacja utrzymuje go w cieple – jednak musi wytrzymać ciśnienie hydrostatyczne zawartości wewnętrznego zbiornika w przypadku wycieku.

Rzeczywistości eksploatacyjne: To, czego nie mówią instrukcje obsługi

Zbiorniki kriogeniczne do przechowywania są niezwykle niezawodne, ale nie są wolne od konieczności konserwacji. Najczęstszym problemem eksploatacyjnym jest stratyfikacja termiczna — gradienty temperatury w cieczy, które mogą prowadzić do szybkiego wzrostu ciśnienia, jeśli nie będą odpowiednio kontrolowane. Operatorzy monitorują temperaturę zbiornika na wielu poziomach wysokości i stosują urządzenia mieszające lub pompy cyrkulacyjne w celu utrzymania jednolitej temperatury.

Innym faktem jest to, że napełnianie i opróżnianie zbiornika kriogenicznego powoduje naprężenia termiczne. Wewnętrzny zbiornik rozszerza się i kurczy się wraz ze zmianami temperatury, a połączenia rurociągowe muszą uwzględniać ten ruch. Zwykle stosuje się kompensatory (bellows) i pętle kompensacyjne, jednak wymagają one regularnej inspekcji oraz okresowej wymiany. Obiekt produkujący azot ciekły na Środkowym Zachodzie doświadczył tego na własnej skórze, gdy podczas operacji napełniania uległ awarii kompensator, co spowodowało uwalnianie zimnego gazu i sześciotygodniowy przestój.

Wyzwanie związane z wykonywaniem i budową

Budowa zbiornika do przechowywania cieczy w temperaturze kriogenicznej nie jest taka sama jak budowa standardowego zbiornika ciśnieniowego. Tolerancje są mniejsze, procedury spawania są bardziej wymagające, a wymagania dotyczące kontroli są surowsze. Pojedynczy defekt spoiny w wewnętrznym zbiorniku może skompromitować cały system zawierania.

Dla właścicieli projektów wybór wytwórcy ma ogromne znaczenie. Wytwórca posiadający doświadczenie w zakresie urządzeń kriogenicznych zna specjalistyczne procedury spawania, wymagania dotyczące nieniszczących badań kontrolnych oraz kluczowe znaczenie czystości podczas procesu produkcji. Firmy takie jak GreenFir, które zdobyły uznanie w zakresie produkcji urządzeń kriogenicznych, wprowadzają to doświadczenie w każdy projekt zbiorników – zmniejszając ryzyko problemów występujących na miejscu budowy i zapewniając, że zbiornik będzie działał zgodnie z założeniami już od pierwszego napełnienia.